JP2010286127A - 吸着熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で、空気中の水分を吸着することができる吸着熱交換器を提供する。
【解決手段】伝熱管（30）を、管外部を流れる空気中の水分を吸着する吸着材料で形成する。そして、伝熱管（30）の内部を流れる冷媒と空気とを熱交換させることで、水分を伝熱管（30）に吸着又は伝熱管（30）から脱離して空気の除湿又は加湿を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、吸着熱交換器に関するものである。

従来より、フィンや伝熱管の表面に吸着剤が担持された吸着熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この吸着熱交換器では、吸着動作時に、フィンの間を通過する空気が水分を吸着剤に奪われて除湿される。そして、吸着熱交換器の伝熱管内を流れる冷却水は、空気中の水分が吸着剤へ吸着される際に生じる吸着熱を吸熱する。また、伝熱管内の冷却水は、空気からも吸熱する。

一方、再生動作時には、伝熱管内を流れる温水によって吸着剤やフィンの間を通過する空気が加熱される。そして、吸着剤から水分が脱離し、この脱離した水分がフィンの間を通過する空気へ付与される。

特開平７−２６５６４９公報

しかしながら、従来の吸着熱交換器では、その製造時に、フィンや伝熱管の表面に吸着剤を塗布する工程が必要であることから、製造工程が複雑化してしまう。また、アルミニウムや銅等の金属製のフィンや伝熱管の表面に吸着剤を塗布した場合には、その界面での吸着剤の剥離を防止するための手段を施す必要があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、空気中の水分を吸着することができる吸着熱交換器を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明は、伝熱管自身を、空気中の水分を吸着する吸着材料で形成するようにした。

具体的に、本発明は、冷媒が流通する流入側ヘッダ（21）と、流出側ヘッダ（22）と、該流入側ヘッダ（21）及び流出側ヘッダ（22）に跨って接続された複数の伝熱管（30）とを備えた吸着熱交換器を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、前記伝熱管（30）は、管外部を流れる空気中の水分を吸着する吸着材料で形成されるとともに、管内部を流れる冷媒と空気とが熱交換するように構成されていることを特徴とするものである。

第１の発明では、伝熱管（30）は、管外部を流れる空気中の水分を吸着する吸着材料で形成される。そして、伝熱管（30）内部を流れる冷媒と空気とが熱交換される。

このような構成とすれば、伝熱管（30）の外周面に吸着剤を塗布する必要が無いため、伝熱管（30）の製造工程を簡略化してコストダウンを図ることができる。また、伝熱管（30）自身が吸着材料で形成されているから、伝熱管（30）の外周面に吸着剤を塗布したときにその界面で吸着剤が剥離してしまうという課題を考慮する必要が無く、比較的簡単な構成で空気中の水分を吸着可能な吸着熱交換器を提供することができる。

第２の発明は、第１の発明において、
前記伝熱管（30）の外周面には、管外部を流れる空気との接触面積を増やすための切込溝（30a）が形成されていることを特徴とするものである。

第２の発明では、伝熱管（30）の外周面に切込溝（30a）が形成される。この切込溝（30a）により、伝熱管（30）外部を流れる空気との接触面積が増加する。

このような構成とすれば、伝熱管（30）の外周面の切込溝（30a）によって、伝熱管（30）と空気との接触面積が増えるため、伝熱管（30）の内部を流れる冷媒と空気との熱交換効率が向上する。その結果、空気中の水分を吸着又は脱離させる調湿性能を向上させることができる。

第３の発明は、空気が流通する流入側ヘッダ（21）と、流出側ヘッダ（22）と、該流入側ヘッダ（21）及び流出側ヘッダ（22）に跨って接続された複数の伝熱管（30）とを備えた吸着熱交換器を対象とし、前記伝熱管（30）は、管内部を流れる空気中の水分を吸着する吸着材料で形成されるとともに、管外部を流れる冷媒と空気とが熱交換するように構成されていることを特徴とするものである。

第３の発明では、伝熱管（30）は、管内部を流れる空気中の水分を吸着する吸着材料で形成される。そして、伝熱管（30）外部を流れる冷媒と空気とが熱交換される。

このような構成とすれば、伝熱管（30）の内周面に吸着剤を塗布する必要が無いため、伝熱管（30）の製造工程を簡略化してコストダウンを図ることができる。また、伝熱管（30）自身が吸着材料で形成されているから、伝熱管（30）の内周面に吸着剤を塗布したときにその界面で吸着剤が剥離してしまうという課題を考慮する必要が無く、比較的簡単な構成で空気中の水分を吸着可能な吸着熱交換器を提供することができる。

第４の発明は、第３の発明において、
前記伝熱管（30）の内周面には、管内部を流れる空気との接触面積を増やすための切込溝（30a）が形成されていることを特徴とするものである。

第４の発明では、伝熱管（30）の内周面に切込溝（30a）が形成される。この切込溝（30a）により、伝熱管（30）内部を流れる空気との接触面積が増加する。

このような構成とすれば、伝熱管（30）の内周面の切込溝（30a）によって、伝熱管（30）と空気との接触面積が増えるため、伝熱管（30）の外部を流れる冷媒と空気との熱交換効率が向上する。その結果、空気中の水分を吸着又は脱離させる調湿性能を向上させることができる。

第５の発明は、第１乃至第４の発明のうち何れか１つにおいて、
前記冷媒は、前記伝熱管（30）に吸着されない成分で構成されていることを特徴とするものである。

第５の発明では、伝熱管（30）に吸着されない成分で構成された冷媒が用いられる。このようにすれば、伝熱管（30）を吸着材料で形成した場合でも、伝熱管（30）の内部又は外部を流れる冷媒が伝熱管（30）に吸着されることがなく、冷媒をスムーズに流通させることができる。

第６の発明は、第５の発明において、
前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とするものである。

第６の発明では、冷媒として二酸化炭素が用いられる。このような構成とすれば、熱交換効率を高めることができる。また、冷媒としての二酸化炭素が伝熱管（30）に吸着されてしまうことがなく、冷媒をスムーズに流通させることができる。

本発明によれば、伝熱管（30）に吸着剤を塗布する必要が無いため、伝熱管（30）の製造工程を簡略化してコストダウンを図ることができる。また、伝熱管（30）自身が吸着材料で形成されているから、伝熱管（30）に吸着剤を塗布したときにその界面で吸着剤が剥離してしまうという課題を考慮する必要が無く、比較的簡単な構成で空気中の水分を吸着可能な吸着熱交換器を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る冷媒回路の構成と動作を示す冷媒回路図である。 本実施形態１に係る吸着熱交換器の構成を示す正面図である。 伝熱管の一部を拡大して示す正面図である。 本実施形態２に係る吸着熱交換器の構成を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１に係る冷媒回路の構成と動作を示す冷媒回路図である。本実施形態１に係る調湿装置は、冷媒回路（10）を備え、除湿した空気を室内へ供給する除湿運転と、加湿した空気を室内へ供給する加湿運転とが可能に構成されている。

図１に示すように、前記冷媒回路（10）は、第１吸着部材（11）、第２吸着部材（12）、圧縮機（13）、四方切換弁（14）、及び電動膨張弁（15）が設けられた閉回路で構成されている。第１吸着部材（11）と第２吸着部材（12）は、何れも吸着熱交換器（20）によって構成されている。吸着熱交換器（20）の詳細については後述する。

前記冷媒回路（10）には、冷媒が充填されている。後述するように、吸着熱交換器（20）の伝熱管（30）が吸着材料で形成されているため、冷媒は、この吸着材料に吸着されない成分で構成されたものが用いられる。例えば、フロン系の冷媒や、二酸化炭素を用いることができる。冷媒回路（10）では、充填された冷媒を循環させることにより蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。

前記冷媒回路（10）において、圧縮機（13）は、その吐出側が四方切換弁（14）の第１ポートに、その吸入側が四方切換弁（14）の第２ポートにそれぞれ接続されている。第１吸着部材（11）の一端は、四方切換弁（14）の第３ポートに接続されている。第１吸着部材（11）の他端は、電動膨張弁（15）を介して第２吸着部材（12）の一端に接続されている。第２吸着部材（12）の他端は、四方切換弁（14）の第４ポートに接続されている。

前記四方切換弁（14）は、第１ポートと第３ポートが連通して第２ポートと第４ポートが連通する第１状態（図１（ａ）に示す状態）と、第１ポートと第４ポートが連通して第２ポートと第３ポートが連通する第２状態（図１（ｂ）に示す状態）とに切り換え可能となっている。

図２に示すように、前記吸着熱交換器（20）は、流入側ヘッダ（21）と、流出側ヘッダ（22）と、複数の伝熱管（30）とを備えている。複数の伝熱管（30）は、流入側ヘッダ（21）と流出側ヘッダ（22）とに跨って接続されている。

前記流入側ヘッダ（21）及び流出側ヘッダ（22）は、扁平な矩形状の箱形に形成されている。この流入側ヘッダ（21）と流出側ヘッダ（22）とは、伝熱管（30）を挟んで互いに対向して並行に配置されている。

前記流入側ヘッダ（21）の一側面には、流入管（23）が接続される一方、流出側ヘッダ（22）の一側面には、流出管（24）が接続されている。流入管（23）及び流出管（24）は、冷媒回路（10）の冷媒配管にそれぞれ接続されている。流入管（23）は、冷媒回路（10）の冷媒を流入側ヘッダ（21）に導入するように構成され、流出管（24）は、流出側ヘッダ（22）の冷媒を冷媒回路（10）に戻すように構成されている。

前記伝熱管（30）は、流入側ヘッダ（21）及び流出側ヘッダ（22）の長手方向に所定のピッチで複数本配設されている。また、伝熱管（30）は、その外部を流れる空気中の水分を吸着する吸着材料で形成されている。この吸着材料としては、例えば、アクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物を用いることができる。このアクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物をチューブ状に成形することで、吸着性能を有する伝熱管（30）を得ることができる。

このような構成とすれば、空気中の水分を吸着するために、伝熱管（30）の外周面に吸着剤を塗布する必要が無いため、伝熱管（30）の製造工程を簡略化してコストダウンを図ることができる。また、伝熱管（30）自身が吸着材料で形成されているから、伝熱管（30）の外周面に吸着剤を塗布したときにその界面で吸着剤が剥離してしまうという課題を考慮する必要が無く、比較的簡単な構成で空気中の水分を吸着可能な吸着熱交換器（20）を提供することができる。

なお、前記伝熱管（30）を形成するための吸着材料としては、カーボンチューブの表面に薬品（例えば、塩化亜鉛等）を塗布した後、窒素中で熱処理を行うことによってアクティブカーボンにしたものを用いても良い。

また、図３に示すように、前記伝熱管（30）の外周面に切込溝（30a）を形成するようにしても良い。この切込溝（30a）は、伝熱管（30）の周方向に沿って且つ管軸方向に間隔をあけて複数切り込まれており、伝熱管（30）の外部を流れる空気との接触面積が大きくなるように形成されている。

このような構成とすれば、伝熱管（30）の外周面の切込溝（30a）によって、伝熱管（30）と空気との接触面積が増えるため、伝熱管（30）の内部を流れる冷媒と空気との熱交換効率が向上する。その結果、空気中の水分を吸着又は脱離させる調湿性能を向上させることができる。

−運転動作−
前記調湿装置では、除湿運転と加湿運転とが可能である。この調湿装置は、除湿運転中と加湿運転中の何れにおいても、第１動作と第２動作を所定の時間間隔（例えば３分間隔）で交互に繰り返す。

前記調湿装置は、除湿運転中であれば第１空気として室外空気（OA）を、第２空気として室内空気（RA）をそれぞれ取り込む。また、前記調湿装置は、加湿運転中であれば第１空気として室内空気（RA）を、第２空気として室外空気（OA）をそれぞれ取り込む。

まず、第１動作について説明する。第１動作中には、第１吸着部材（11）へ第２空気が、第２吸着部材（12）へ第１空気がそれぞれ送り込まれる。この第１動作では、第１吸着部材（11）についての再生動作と、第２吸着部材（12）についての吸着動作とが行われる。

図１（ａ）に示すように、第１動作中の冷媒回路（10）では、四方切換弁（14）が第１状態に設定される。圧縮機（13）を運転すると、冷媒回路（10）で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。その際、冷媒回路（10）では、第１吸着部材（11）が凝縮器として機能し、第２吸着部材（12）が蒸発器として機能する。

具体的に、圧縮機（13）から吐出された冷媒は、第１吸着部材（11）で放熱して凝縮する。第１吸着部材（11）で凝縮した冷媒は、電動膨張弁（15）を通過する際に減圧され、その後に第２吸着部材（12）で吸熱して蒸発する。第２吸着部材（12）で蒸発した冷媒は、圧縮機（13）へ吸入されて圧縮され、再び圧縮機（13）から吐出される。

前記吸着熱交換器（20）により構成された第１吸着部材（11）では、伝熱管（30）内の冷媒によって伝熱管（30）表面が加熱され、加熱された伝熱管（30）表面から脱離した水分が第２空気に付与される。また、同じく吸着熱交換器（20）により構成された第２吸着部材（12）では、伝熱管（30）表面に第１空気中の水分が吸着され、発生した吸着熱が伝熱管（30）内の冷媒に吸熱される。

そして、除湿運転中であれば、第２吸着部材（12）で除湿された第１空気が室内へ供給され、第１吸着部材（11）から脱離した水分が第２空気とともに室外へ排出される。一方、加湿運転中であれば、第１吸着部材（11）で加湿された第２空気が室内へ供給され、第２吸着部材（12）に水分を奪われた第１空気が室外へ排出される。

次に、第２動作について説明する。第２動作中には、第１吸着部材（11）へ第１空気が、第２吸着部材（12）へ第２空気がそれぞれ送り込まれる。この第２動作では、第２吸着部材（12）についての再生動作と、第１吸着部材（11）についての吸着動作とが行われる。

図１（ｂ）に示すように、第２動作中の冷媒回路（10）では、四方切換弁（14）が第２状態に設定される。圧縮機（13）を運転すると、冷媒回路（10）で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。その際、冷媒回路（10）では、第２吸着部材（12）が凝縮器として機能し、第１吸着部材（11）が蒸発器として機能する。

具体的に、圧縮機（13）から吐出された冷媒は、第２吸着部材（12）で放熱して凝縮する。第２吸着部材（12）で凝縮した冷媒は、電動膨張弁（15）を通過する際に減圧され、その後に第１吸着部材（11）で吸熱して蒸発する。第１吸着部材（11）で蒸発した冷媒は、圧縮機（13）へ吸入されて圧縮され、再び圧縮機（13）から吐出される。

前記吸着熱交換器（20）により構成された第２吸着部材（12）では、伝熱管（30）内の冷媒によって伝熱管（30）表面が加熱され、加熱された伝熱管（30）表面から脱離した水分が第２空気に付与される。また、同じく吸着熱交換器（20）により構成された第１吸着部材（11）では、伝熱管（30）表面に第１空気中の水分が吸着され、発生した吸着熱が伝熱管（30）内の冷媒に吸熱される。

そして、除湿運転中であれば、第１吸着部材（11）で除湿された第１空気が室内へ供給され、第２吸着部材（12）から脱離した水分が第２空気とともに室外へ排出される。一方、加湿運転中であれば、第２吸着部材（12）で加湿された第２空気が室内へ供給され、第１吸着部材（11）に水分を奪われた第１空気が室外へ排出される。

以上のように、本実施形態１に係る吸着熱交換器（20）によれば、空気中の水分を吸着するために、伝熱管（30）の外周面に吸着剤を塗布する必要が無いため、伝熱管（30）の製造工程を簡略化してコストダウンを図ることができる。また、伝熱管（30）自身が吸着材料で形成されているから、伝熱管（30）の外周面に吸着剤を塗布したときにその界面で吸着剤が剥離してしまうという課題を考慮する必要が無く、比較的簡単な構成で空気中の水分を吸着可能な吸着熱交換器（20）を提供することができる。

また、前記伝熱管（30）の外周面に切込溝（30a）を形成することで、伝熱管（30）と空気との接触面積が増えるため、伝熱管（30）の内部を流れる冷媒と空気との熱交換効率が向上する。その結果、空気中の水分を吸着又は脱離させる調湿性能を向上させることができる。

《発明の実施形態２》
図４は、本発明の実施形態２に係る吸着熱交換器の構成を示す正面図である。前記実施形態１との違いは、伝熱管（30）の内部を空気が流れる一方、外部を冷媒が流れるようにした点であるため、以下、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図４に示すように、前記吸着熱交換器（20）は、ケーシング（25）と、流入側ヘッダ（21）と、流出側ヘッダ（22）と、複数の伝熱管（30）とを備えている。複数の伝熱管（30）は、流入側ヘッダ（21）と流出側ヘッダ（22）とに跨って接続されている。

前記ケーシング（25）は、冷媒が流れる冷媒流路（26）を内部に有する箱形に形成されている。このケーシング（25）の一側面（図４では下側面）には、流入管（23）が接続される一方、他側面（図４では上側面）には、流出管（24）が接続されている。流入管（23）及び流出管（24）は、冷媒回路（10）の冷媒配管にそれぞれ接続されている。流入管（23）は、冷媒回路（10）の冷媒をケーシング（25）内に導入するように構成され、流出管（24）は、ケーシング（25）内において伝熱管（30）内部の空気と熱交換した後の冷媒を冷媒回路（10）に戻すように構成されている。

前記流入側ヘッダ（21）及び流出側ヘッダ（22）は、扁平な矩形状の箱形に形成されている。この流入側ヘッダ（21）と流出側ヘッダ（22）とは、伝熱管（30）を挟んで互いに対向するように、ケーシング（25）の左右両端にそれぞれ並行に配置されている。そして、流入側ヘッダ（21）の側面（図４では左側面）には、伝熱管（30）の内部に空気を流入させるための空気流入口が開口している。また、流出側ヘッダ（22）の側面（図４では右側面）には、伝熱管（30）の内部を流通した空気を流出させるための空気流出口が開口している。

前記伝熱管（30）は、流入側ヘッダ（21）及び流出側ヘッダ（22）の長手方向に所定のピッチで複数本配設されている。また、伝熱管（30）は、その内部を流れる空気中の水分を吸着する吸着材料で形成されている。この吸着材料としては、例えば、アクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物を用いることができる。

なお、前記伝熱管（30）を形成するための吸着材料としては、カーボンチューブの表面に薬品（例えば、塩化亜鉛等）を塗布した後、窒素中で熱処理を行うことによってアクティブカーボンにしたものを用いても良い。

このような構成とすれば、空気中の水分を吸着するために、伝熱管（30）の内周面に吸着剤を塗布する必要が無いため、伝熱管（30）の製造工程を簡略化してコストダウンを図ることができる。また、伝熱管（30）自身が吸着材料で形成されているから、伝熱管（30）の内周面に吸着剤を塗布したときにその界面で吸着剤が剥離してしまうという課題を考慮する必要が無く、比較的簡単な構成で空気中の水分を吸着可能な吸着熱交換器（20）を提供することができる。

また、特に図示しないが、前記伝熱管（30）の内周面に切込溝（30a）を形成するようにしても良い。このように、伝熱管（30）の内周面の切込溝（30a）によって、伝熱管（30）と空気との接触面積が増えるため、伝熱管（30）の外部を流れる冷媒と空気との熱交換効率が向上する。その結果、空気中の水分を吸着又は脱離させる調湿性能を向上させることができる。

ここで、本実施形態２に係る吸着熱交換器（20）は、伝熱管（30）の内部を空気が流れる一方、外部を冷媒が流れるようにした点のみが前記実施形態１と異なっているため、調湿装置の運転動作については実施形態１と略同様であることからその記載を省略するものとする。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、比較的簡単な構成で、空気中の水分を吸着できる吸着熱交換器を提供することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

20 吸着熱交換器
21 流入側ヘッダ
22 流出側ヘッダ
30 伝熱管
30a 切込溝

Claims (6)

1. 冷媒が流通する流入側ヘッダ（21）と、流出側ヘッダ（22）と、該流入側ヘッダ（21）及び流出側ヘッダ（22）に跨って接続された複数の伝熱管（30）とを備えた吸着熱交換器であって、
   前記伝熱管（30）は、管外部を流れる空気中の水分を吸着する吸着材料で形成されるとともに、管内部を流れる冷媒と空気とが熱交換するように構成されていることを特徴とする吸着熱交換器。
2. 請求項１において、
   前記伝熱管（30）の外周面には、管外部を流れる空気との接触面積を増やすための切込溝（30a）が形成されていることを特徴とする吸着熱交換器。
3. 空気が流通する流入側ヘッダ（21）と、流出側ヘッダ（22）と、該流入側ヘッダ（21）及び流出側ヘッダ（22）に跨って接続された複数の伝熱管（30）とを備えた吸着熱交換器であって、
   前記伝熱管（30）は、管内部を流れる空気中の水分を吸着する吸着材料で形成されるとともに、管外部を流れる冷媒と空気とが熱交換するように構成されていることを特徴とする吸着熱交換器。
4. 請求項３において、
   前記伝熱管（30）の内周面には、管内部を流れる空気との接触面積を増やすための切込溝（30a）が形成されていることを特徴とする吸着熱交換器。
5. 請求項１乃至４のうち何れか１つにおいて、
   前記冷媒は、前記伝熱管（30）に吸着されない成分で構成されていることを特徴とする吸着熱交換器。
6. 請求項５において、
   前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする吸着熱交換器。

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